微机原理6章.ppt
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1、第6章 输入和输出接口,本章 讨论 I/O 的 基本概念,是后续章节内容的基础,教学重点基本概念 I/O接口、I/O端口 I/O端口的编址 输入、输出的传送方式 无条件、查询、中断、DMA传送,CPU,I/O设备,6.1 I/O接口,6.1.1 I/O接口的功能一、CPU与I/O设备之间的接口信息1、数据信息-要交换的数据本身1)数字量:二进制数、编码的数据,或准数字信号-频率信号2)模拟量:计算机 A/D 外设 计算机 D/A 外设3)开关量:两个状态的量,用1位二进制数可表示。0或1。2、状态信息-反映当前外设的工作状态。即是否准备好。由外设输入。3、控制信息-CPU控制外设工作的命令 C
2、PU向外设传送控制信息,控制外设的启动、停止、工作模式等。,二、采用I/O接口的必要性,计算机与外设之间的信息交换应解决的问题:*速度不匹配*信号电平不匹配*信号格式不匹配*信号时序不匹配因此外设不能与CPU的系统总线直接相连,必须设置接口电路。I/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路.接口电路可以是简单的门电路,或接口芯片,甚至复杂的电路板。接口芯片分可编程、不可编程两种。,后续章节主要内容:I/O芯片、I/O芯片的编程、I/O芯片 的连接,三、I/O接口的功能(解决的方案),*设置信号电平转换电路以解决两者之间信号电平的不一致问题 例如:在串行通信中,常采用M
3、C1488,MC1489等芯片实现 电平转换。,*设置信息转换逻辑以满足对各自信号格式的要求 例如:A/D转换,D/A转换,串/并转换,并/串转换等。,*设置时序控制电路以同步CPU和外设的工作 接口电路接收CPU送来的命令或控制字,实施对外设的控 制和管理;外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返 回给CPU(设备就绪,忙,缓冲器满,空),保证CPU与 外设工作实现同步。,*提供地址译码电路 CPU与多个外部设备交换信息;每个外部设备通常包含若干个端口(数据,控制,状态)。,*最好可编程应用,CPU与I/O设备之间的接口信息1、数据信息-要交换的数据本身1)数字量:二进制数、编码的数据,或准
4、数字信号-频率信号2)模拟量:计算机 A/D 外设 计算机 D/A 外设3)开关量:两个状态的量,用1位二进制数可表示。0或1。2、状态信息-反映当前外设的工作状态。即是否准备好。由外设输入。3、控制信息-CPU控制外设工作的命令 CPU向外设传送控制信息,控制外设的启动、停止、工作模式等。,一、I/O端口CPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换,于是从应用角度看I/O接口电路的典型结构:数据寄存器(数据端口)保存外设给CPU和CPU发往外设的数据 状态寄存器(状态端口)保存外设或接口电路的状态 控制寄存器(控制端口)保存CPU给外设或接口电路的命令,6.1.3 I/O端口及其编址方
5、式,I/O接口电路的典型结构,控制总线CB,地址总线AB,I/O接口电路,数据,控制,状态,数据总线DB,CPU,I/O外设装置,命令控制寄存器,状态寄存器,数据寄存器,中断控制,3种信息均通过数据总线传送。读写不同的端口交换不同的信息。,INTR,一定要理解,什么是I/O端口?I/O端口是I/O接口中可以由CPU进行读或写的寄存器。一个接口电路可以具有多个I/O端口,每个端口用来保存和交换不同的信息(数据、状态和控制信息)通过端口地址来找到每一个端口。对一个I/O接口电路,从使用者的角度,主要要知道它的端口的地址和功能。,接口(interface)与端口(port):,1、I/O端口与存储器
6、统一编址,外设端口作为存储器的一个单元,占据存储器的一个地址。访问存储器和访问外设使用一样的指令。如MOTOROLA的产品优点:不需要专门的I/O指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活缺点:I/O端口要占去部分存储器地址空间程序不易阅读(不易分清访存和访问外设),内存部分,I/O部分,存储器空间,00000,FFFFF,二、I/O端口的编址方式(两种),2、I/O端口单独编址,I/O地址空间独立于存储地址空间。有专门的输入输出指令。Intel 的8086/8088,Zilog 的产品等。优点:I/O端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单专门的I/O指令使程序清晰易读缺点:I/O指令没
7、有存储器指令丰富注意:系统必须要有控制线来区分是寻址内存,还是外设,80 x86采用I/O端口独立编址,M/IO,8088/8086的输入输出指令,输入指令(IN:将外设数据传送给CPU内的AL/AX)IN AL,i8/DX;字节输入IN AX,i8/DX;字输入输出指令(OUT:将CPU内的AL/AX数据传送给外设)OUT i8/DX,AL;字节输出OUT i8/DX,AX;字输出,8088/8086的I/O端口,8088/8086只能通过输入输出指令与外设进行数据交换;呈现给程序员的外设是端口(Port),即I/O地址8086用于寻址外设端口的地址线为16条,端口最多为21665536(6
8、4K)个,端口号为0000H FFFFH每个端口用于传送一个字节的外设数据,不可编程的I/O接口属简单的I/O接口,典型的芯片是三态缓冲器和数据锁存器。如:74LS244,245;74LS373,374 增强总线的负载能力并隔离,简单的I/O接口芯片常用I/O芯片:缓冲器(Buffer)和锁存器(Latch)缓冲器:无锁存功能,在外设和CPU之间起缓冲 驱动和隔离作用。总线缓冲器具有三态功能。锁存器:除具有缓冲功能外还有数据锁存记忆功能。,缓冲器74LS244 8路单向数据缓冲器74LS245 8路双向数据缓冲器,(1)、8路单向数据缓冲器74LS244三态输出的八缓冲器和线驱动器;8个输入端
9、,分为二路1A11A4,2A12A4;8个输出端,分为二路1Y11Y4,2Y12Y4;分别由2个门控信号 和 控制;和 为低,芯片工作,Y=A;74LS244缓冲后,输入信号被驱动,输出信号的驱动能力加大了;常用的缓冲器还有74LS240和74LS241等。,74LS244缓冲器逻辑电路和引脚图,(2)、8路双向数据收发器74LS245三态输出的8总线收发器;16个双向传送的数据端,A1A8,B1B8;两个控制端使能端 和方向控制端DIR;芯片的功能见表6-2。表 74LS245的真值表通常用于数据的双向传送、缓冲和驱动。常用的数据收发器还有74LS243、Intel 8286、Intel 8
10、287等,74LS245八总线收发器逻辑电路和引脚图,锁存器74LS3738D锁存器8输入:1D8D8输出:1O8O输入允许端:OE输出预选端:G,表6-1 74LS373的真值表,H为高电平,L为低电平,Q0为原状态,Z为高阻抗,为任意值。74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。常用的锁存器还有74LS273,573,Intel 8282和8283等,74LS373锁存器逻辑电路和引脚图,6.1.4 CPU与外设数据的传送方式,程序控制下的数据传送通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送,又分为:无条件传送查询传送(有条件传送)中断方式直接存储器存取(D
11、MA)传送请求由外设向DMA控制器(DMAC)提出,后者向CPU申请总线,最后DMAC利用系统总线来完成外设和存储器间的数据传送,由硬件控制传送,程序控制下的数据传送,一、无条件传送方式,无条件传送(同步传送):在传送前CPU不需了解外设状态(即认为它总处于“就绪”状态),随时进行数据传送(直接执行输入输出指令。适合于简单慢速设备。如LED数码管、按键或按纽等。无条件传送的接口和操作均十分简单。这种传送有前提:外设必须随时出于就绪状态。否则,容易出错。,I/O外设,8位三态缓冲器,地址译码器,CPU,数据端口,MOV DX,120HIN AL,DX,无条件传送:输入示例,OE,CS,D7D0,
12、A15A1,A0,0120H,地址译码器,CS,A15A1,A0,0160H,I/O外设,8位锁存器,无条件传送的输出方式,MOV DX,160HOUT DX,AL,D7D0,为什么输入端口可不用锁存器,而输出端口通常要用锁存器?,输出接口有锁存缓存环节;输入接口有缓冲环节;,第6章:无条件传送:输入输出接口示例,K7,K1,K0,+5V,D0D7,A0A15,CLK,LS06反相驱动器,LS2738D锁存器,LS244三态缓冲器,8000H,译码,+5V,LED0,LED7,next:mov dx,8000h;DX指向数据端口in al,dx;从输入端口读开关状态not al;反相out d
13、x,al;送输出端口显示call delay;调子程序延时jmp next;重复,二、条件传送(查询传送方式),CPU需要先了解(查询)外设的工作状态,在外设就绪(可以交换信息的情况下)后实现数据输入或输出。必须有传送状态信号的端口。查询传送的特点是:工作可靠,适用面宽,但传送效率低对多个外设的情况,则CPU按一定顺序依次查询(轮询)。先查询的外设将优先进行数据交换,就绪?,查询传送的两个环节,查询环节读取状态寄存器的标志位若没有就绪就继续查询,直至就绪 传送环节通过输入/输出指令从数据端口读入 或输出数据,读入状态,就绪?,数据交换,Y,N,传送流程,查询式输入接口,准备好信号如何建立,如何
14、清除?简述查询式输入输出的工作过程?,POLL:IN AL,20H;读状态端口TEST AL,80H;测试标志位D7JE POLL;D70,未就绪,继续查IN AL,21H;D01,就绪.从数据端口输入数据,;同时清READY,设置外设忙与不忙的电路,8D锁存器,译码,1位三态缓冲器,R,Q,A0A15,30H,31H,D0D7,D7,D,+5V,BUSY,查询式输出接口,就绪:闲,1 忙0 闲,POLL:IN AL,STATUS_PORT;读状态端口TEST AL,80H;测试BUSY位 D7JNE POLL;D71,忙,未就绪,继续查询;D70,闲,就绪 OUT DATA_PORT,AL;
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